专利名称：一种双螺杆混输泵齿型的制作方法
技术领域：
本发明属于机械工程技术领域，涉及一种齿型，特别是一种双螺杆混输泵齿型。
背景技术：
多相混输技术是近年来发展起来的一种高效经济的油田开发方式，它以一台多相泵代替输液泵和气体压缩机，通过一条管道将油、水、气体、沙粒及石蜡等组成的多相混合物输送到中心处理装置。与传统的开采方式相比，它具有如下明显的优势①可去除油气分离设备，减少钢管作业和钢材消耗，延长输送距离，避免在地理环境恶劣的地方建设油气处理厂，从而大大降低基建投资和管理费用；②它通过降低井口回压，增加油气产量，延长油井寿命。据报道，井口压力减少50％，原油产量可望增加10％～15％；③对海上油田，油气混输意味着可用海底增压装置代替平台，从而大幅度降低工程投资，与常规建设平台的设计方案相比，海底多相混输方案可降低约40％的基建投资费用。因此多相混输系统是一种适用于边际油田、沙漠油田及卫星油田的高效经济的开发方式。
多相混输泵是多相混输系统中的核心设备，它是一种集常规液相泵和气体压缩机性能于一体的多相增压装置。在各种形式多相泵中，双螺杆多相混输泵因其性能优越而倍受各石油生产公司和科研机构的关注。目前双螺杆混输泵已能适应≤95％的含气率，能短时间适应100％含气率的工况，是一种适应于高含气率、高凝固点、高粘度多相混合物的理想增压装置。
转子型线设计是双螺杆多相流混输泵设计中的关键技术。一方面，型线的合理设计可以保证转子之间的正确啮合，保证转子的轴向和径向密封，从而形成工作容积的周期性变化，实现对多相流体的增压过程。另一方面，对转子几何特性的研究是多相泵热动力性能研究和转子成形刀具设计的必要条件。目前国内外关于双螺杆混输泵型线的合理设计和几何特性问题研究的公开报道还非常少。传统的螺杆泵型线基本可分为三种类型 1、俗成“方牙形”的型线，这类双螺杆泵转子工作截面为矩形或梯形。这类型线的螺杆泵能输送润滑性、非润滑性甚至含有少量颗粒杂质的液体，但其密封性较差，为减少液体的泄漏通常需要增加螺旋的导程数，采用小的螺旋升角。但即使采用这样的措施，实际上它的排出压力也只有0.8MPa左右，若再提高压力，会造成效率大副度下降。
2、螺杆工作段横截面的型线由渐开线和摆线组合而成，称为Leistritz型。这类型线中渐开线和摆线的组合有多种形式。由于采用了两种曲线的组合，使得密封性得到改善，性能优于前一类螺杆泵。其排出压力可达到1.5MPa，其中采用国外称为B型型线的螺杆泵最高排压可达到8MPa。这类泵可输送非润滑性介质。
3、螺杆工作段截面的型线为圆弧、摆线、椭圆及抛物线等曲线组合而成。由于综合多种曲线的性能优点，因此密封性能有较大的改善，可用于较高的排出压力。
根据双螺杆混输泵多相流体混输的特点，混输泵转子型线设计基本要求为 1、为了保证转子运转不干涉，螺杆转子型线应满足一般啮合运动的要求。即相应齿间曲线必须满足齿廓啮合的基本规律，并按啮合条件求取已知曲线的共轭曲线。
2、为使基元容积具有良好的密封性，要求转子型线有轴向和横向气密性。具体说来，除要求转子接触线连续外，还要求接触线短，泄漏三角形面积尽可能小。但实际上这是一对相互制约的因素，不可能同时达到最满意的指标。一般讲来，采用摆线可有效减少泄漏三角形的面积，但接触线相对较长；采用圆弧可使接触线缩短，但同时也增大了泄漏三角形的面积。因此要求视具体情况匹配好这两者关系。
3、要求型线有较大的面积利用系数，这样不仅能使机器的尺寸小一些，而且单位容量的泄漏损失也小一些，可使容积效率提高。另外还要求型线流线化以减少气体流动损失，也要便于加工。尽管这些因素目前不能定量计算，但在型线的设计中应加以考虑。
发明内容
本发明的目的在于根据多相流体混输的特点，提供一种双螺杆混输泵齿型，该双螺杆混输泵齿型可以有效减少泵体内的内泄漏，提高泵容积效率，可适应于高含气率工况，并且制造、加工方便。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是由两个三头螺杆组成，其中一个为凸螺杆，另一个为凹螺杆，每头螺杆的齿型相同，沿圆周均匀分布，每头螺杆的齿型由圆弧-圆弧包络线和点啮合摆线组成，在主要啮合区即产生端面啮合线的啮合段采用点啮合摆线和长肢外摆线，在其他区域采用圆弧-圆弧包络线，三头凸螺杆型线包括凸螺杆齿底圆弧(a1b1)、凸螺杆点啮合摆线(b1c1)、凸螺杆齿顶圆弧(c1d1)、凸螺杆长肢摆线(d1e1)，其中凸螺杆齿底圆弧(a1b1)与凸螺杆齿顶圆弧(c1d1)同心；三头凹螺杆型线包括凹螺杆齿顶圆弧(a2b2)、凹螺杆点啮合摆线(b2c2)、凹螺杆齿底圆弧(c2d2)、凹螺杆长肢摆线(d2e2)，其中凹螺杆齿顶圆弧(a2b2)与凹螺杆齿底圆弧(c2d2)同心，且凸螺杆齿顶圆弧的终点(d1)与凸螺杆长肢摆线的终点(e1)连线经过凸螺杆的圆心(O1)，凹螺杆齿底圆弧的终点点(d2)与凹螺杆长肢摆线的终点(e2)连线经过凹螺杆的圆心(O2)。
本发明的凸螺杆型线采用方程定义，凹螺杆型线完全由凸螺杆利用啮合原理，共轭计算得出，所述三头凸螺杆齿底圆弧(a1b1)的参数方程为 所述三头凸螺杆点啮合摆线(b1c1)的参数方程为 所述三头凸螺杆齿顶圆弧(c1d1)的参数方程为 所述三头凸螺杆长肢摆线(d1e1)的参数方程为 所述三头凹螺杆的齿顶圆弧(a2b2)由三头凸螺杆齿底圆弧(a1b1)共轭求出
共轭条件为
所述三头凹螺杆的点啮合摆线(b2c2)由三头凸螺杆点c1共轭求出
共轭条件为
所述三头凹螺杆的齿底圆弧(c2d2)由三头凸螺杆齿底圆弧(c1d1)共轭求出
共轭条件为
所述三头凹螺杆的点啮合摆线(d2e2)由三头凸螺杆点d1共轭求出
共轭条件为
式中 x，y——型线上点在坐标系(x1o1y1)上的坐标； t—坐标参数，此处为角度； A——两螺杆中心距； R1——凸螺杆齿底半径； R′1——凸螺杆齿顶半径； R2——凹螺杆齿底半径； R′2——凹螺杆齿顶半径； k——角度系数，值等于滚动圆半径与固定圆半径比值加1。
1——凸螺杆下标 2——凹螺杆下标 本发明的三头凸螺杆齿顶半径大于三头凹螺杆齿顶半径即R′1＝(1.4～2.0)R′2。
本发明的双螺杆混输泵的型线由两个三头螺杆型线组成，其中一个为凸螺杆型线，另一个为凹螺杆型线。本发明的双螺杆混输泵齿型线完全符合啮合原理，两转子型线相互共轭，型线形成的啮合线封闭，转子形成的接触线连续，从而使得采用本发明齿型的双螺杆混输泵能够适用于更高的输送压力和高含气率的多相介质输送的场所。同时，采用本发明双螺杆混输泵齿型的螺杆加工方便、效率高。
图1是本发明的双螺杆混输泵齿型相互啮合的两只螺杆转子截面的型线示意图； 图2是本发明的双螺杆混输泵齿型凸螺杆立体示意图； 图3是本发明的双螺杆混输泵齿型凹螺杆立体示意图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明做进一步详细说明，以便更清楚的理解本发明的实现方式和特点。
参见图1，本发明由两个三头螺杆组成，其中一个为凸螺杆，另一个为凹螺杆，型线采用圆弧-圆弧包络线和点啮合摆线组成。在主要啮合区产生端面啮合线的啮合段，着眼于减少泄漏三角形面积而采用点啮合摆线，包括凸螺杆点啮合摆线b1c1、凸螺杆齿顶圆弧c1d1、凸螺杆长肢摆线d1e1、凹螺杆点啮合摆线b2c2和凹螺杆长肢摆线d2e2；在其他区域，着眼于缩短接触线长度和便于加工制造，采用圆弧-圆弧包络线，包括凸螺杆齿底圆弧a1b1、凸螺杆齿顶圆弧c1d1、凹螺杆齿顶圆弧a2b2、凹螺杆齿底圆弧c2d2，其中凸螺杆齿底圆弧a1b1与凸螺杆齿顶圆弧c1d1同心，凹螺杆齿顶圆弧a2b2与凹螺杆齿底圆弧c2d2同心。且凸螺杆齿顶圆弧的终点d1与凸螺杆长肢摆线的终点e1连线经过凸螺杆的圆心O1，凹螺杆齿底圆弧的终点点d2与凹螺杆长肢摆线的终点e2连线经过凹螺杆的圆心O2，凸螺杆的齿底圆半径和齿顶圆半径分别为R1、R′1；凹螺杆的齿底圆半径和齿顶圆半径分别为R2、R′2。
凸螺杆齿底圆弧a1b1段是以o1为圆心的圆弧，其半径为齿底圆半径R1；凸螺杆点啮合摆线b1c1段是点b2形成的点啮合摆线，点b2在凸螺杆的齿顶圆上，角凸螺杆齿顶圆弧c1d1段是以o1为圆心的圆弧，其半径为齿顶圆半径R′1。凸螺杆长肢摆线d1e1段是点e2以凹螺杆齿底圆为滚圆形成的长肢外摆线，点e2为凸螺杆的齿底圆与x轴的交点。
凹螺杆各段型线完全由凸螺杆各型线段、点根据啮合原理共轭生成。其中凹螺杆齿顶圆弧a2b2段由凸螺杆型线上的齿底圆弧a1b1段共轭求出；凹螺杆点啮合摆线b2c2由凸螺杆型线上的点c1共轭求出；凹螺杆齿底圆弧c2d2段由凸螺杆型线上的齿底圆弧c1d1段共轭求出凹螺杆长肢摆线d2e2段由凸螺杆型线上的点d1共轭求出。
本发明各段组成曲线方程如下 坐标系的建立如图1所示，圆心o1，o2分别在两只转子的轴线上。
凸螺杆型线方程 (1)齿底圆弧(a1b1)的参数方程为 式中 x，y-------型线上点在坐标系(x1o1y1)上的坐标； t------坐标参数，此处为角度； R1--------凸螺杆齿底半径。
(2)点啮合摆线(b1c1)的参数方程为 式中 A------两螺杆中心距； R2--------凹螺杆齿底半径； k-------角度系数，值等于滚动圆半径与固定圆半径比值加1。
(3)齿顶圆弧(c1d1)的参数方程为 式中 R′1--------凸螺杆齿顶半径； (4)长肢摆线(d1e1)的参数方程为 式中 R′2--------凹螺杆齿顶半径； 凸螺杆其他段型线由a1b1c1d1e1沿圆周方向均匀分布组成。凹螺杆型线方程 (1)齿顶圆弧(a2b2)由三头凸螺杆齿底圆弧(a1b1)共轭求出
共轭条件为
(2)点啮合摆线(b2c2)由三头凸螺杆点c1共轭求出
共轭条件为
(3)齿底圆弧(c2d2)由三头凸螺杆齿底圆弧(c1d1)共轭求出
共轭条件为
(4)点啮合摆线(d2e2)由三头凸螺杆点d1共轭求出
共轭条件为
凹螺杆其他段型线由a2b2c2d2e2沿圆周方向均匀分布组成。
根据上述方程，在螺杆转子齿顶圆半径、齿底圆半径和中心距确定后便可以确定两个转子的型线方程。
将图1得到的混输泵的型线沿z方向按照一定得螺距进行螺旋运动，即可得到图2、图3的凸螺杆和凹螺杆。
权利要求
1、一种双螺杆混输泵齿型，其特征在于由两个三头螺杆组成，其中一个为凸螺杆，另一个为凹螺杆，每头螺杆的齿型相同，沿圆周均匀分布，每头螺杆的齿型由圆弧-圆弧包络线和点啮合摆线组成，在主要啮合区即产生端面啮合线的啮合段采用点啮合摆线和长肢外摆线，在其他区域采用圆弧-圆弧包络线，三头凸螺杆型线包括凸螺杆齿底圆弧(a1b1)、凸螺杆点啮合摆线(b1c1)、凸螺杆齿顶圆弧(c1d1)、凸螺杆长肢摆线(d1e1)，其中凸螺杆齿底圆弧(a1b1)与凸螺杆齿顶圆弧(c1d1)同心；三头凹螺杆型线包括凹螺杆齿顶圆弧(a2b2)、凹螺杆点啮合摆线(b2c2)、凹螺杆齿底圆弧(c2d2)、凹螺杆长肢摆线(d2e2)，其中凹螺杆齿顶圆弧(a2b2)与凹螺杆齿底圆弧(c2d2)同心，且凸螺杆齿顶圆弧的终点(d1)与凸螺杆长肢摆线的终点(e1)连线经过凸螺杆的圆心(O1)，凹螺杆齿底圆弧的终点点(d2)与凹螺杆长肢摆线的终点(e2)连线经过凹螺杆的圆心(O2)。
2、根据权利要求1所述的双螺杆混输泵齿型，其特征在于所说的凸螺杆型线采用方程定义，凹螺杆型线完全由凸螺杆利用啮合原理，共轭计算得出，所述三头凸螺杆齿底圆弧(a1b1)的参数方程为
所述三头凸螺杆点啮合摆线(b1c1)的参数方程为
所述三头凸螺杆齿顶圆弧(c1d1)的参数方程为
所述三头凸螺杆长肢摆线(d1e1)的参数方程为
所述三头凹螺杆的齿顶圆弧(a2b2)由三头凸螺杆齿底圆弧(a1b1)共轭求出
共轭条件为
所述三头凹螺杆的点啮合摆线(b2c2)由三头凸螺杆点c1共轭求出
共轭条件为
所述三头凹螺杆的齿底圆弧(c2d2)由三头凸螺杆齿底圆弧(c1d1)共轭求出
共轭条件为
所述三头凹螺杆的点啮合摆线(d2e2)由三头凸螺杆点d1共轭求出
共轭条件为
式中
x，y——型线上点在坐标系(x1o1y1)上的坐标；
t——坐标参数，此处为角度；
A——两螺杆中心距；
R1——凸螺杆齿底半径；
R′1——凸螺杆齿顶半径；
R2——凹螺杆齿底半径；
R′2——凹螺杆齿顶半径；
k——角度系数，值等于滚动圆半径与固定圆半径比值加1。
1——凸螺杆下标
2——凹螺杆下标。
3、根据权利要求1所述的双螺杆混输泵齿型，其特征在于所说的三头凸螺杆齿顶半径大于三头凹螺杆齿顶半径即R′1＝(1.4～2.0)R′2。
全文摘要
一种双螺杆混输泵齿型，该双螺杆混输泵齿型的型线由两个三头螺杆型线组成，其中一个为凸螺杆型线，另一个为凹螺杆型线。凸螺杆型线采用方程定义，每头螺杆的齿型相同，沿圆周均匀分布。每头螺杆的齿型由圆弧-圆弧包络线和点啮合摆线组成，在主要啮合区采用点啮合摆线和长肢外摆线，在其他区域采用圆弧-圆弧包络线。凹螺杆型线完全由凸螺杆利用啮合原理，共轭计算得出。本发明的双螺杆混输泵齿型线完全符合啮合原理，两转子型线相互共轭，型线形成的啮合线封闭，转子形成的接触线连续，从而使得采用本发明齿型的双螺杆混输泵能够适用于更高的输送压力和高含气率的多相介质输送的场所。同时，采用本发明双螺杆混输泵齿型的螺杆加工方便、效率高。
文档编号F04C15/00GK101603532SQ200910023138
公开日2009年12月16日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者锋 曹, 李松山, 邢子文, 束鹏程 申请人:西安交通大学